JPS63109015A - 成形金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、チタンまたはチタン合金によって形成され
る成型金型に関するものである。

〔従来の技術〕

金型成型は、同一形状の成型製品を多量に生産でき、し
かも、セラミックス粉体やゴムや合成樹脂などの各種の
成形材料を寸法精度よく複雑な形状に成型できるので、
最近では、いろいろな精密小型部品の生産にも広く用い
られるようになっている。

そして、金型材料としては、従来からＳＫ材やＳＫＤ材
などの鋼が表面処理されるなどして用いられるのが普通
である。

ところが、ゴムまたは合成樹脂あるいは粘結剤などとし
てそれらを含むセラミックス粉体などの成型材料を成型
する際には、これらの成型材料が腐食性のガスや化合物
を発生する。例えば合成ゴムは１５０乃￥２００　’Ｃ
に加熱して成型するのが一般的でおるが、その際に塩素
ガスや塩化物を発生する。

このため、従来の鋼製金型では、これらの腐食性ガスや
化合物によって早期に腐食されてしまい、金型の摩耗と
ともなって金型にガタを生じ、特に、複雑な形状の精密
小型部品の成型では、鋼製金型では耐久性がないという
問題を有していた。

更に、これらの成型材料は一般に強い粘着性をもってい
るので、成型金型に付着して残り易く、成型の都度、成
型面をていねいに清浄化し、離型剤を塗り直し、たびた
び金型を取外して分解し、成型面や合わせ面を充分に洗
浄しなくてはならないものである。ところが、洗浄効果
を高めるためには、金型を２０乃至３０％のカ性ンーダ
溶液に２４時間程度浸漬して洗浄を行うのが普通でおる
ので、このために成型金型全体がアルカリ腐食をうける
こととなる。そして、分解しての洗浄を充分に行わなけ
れば成型作業性に欠け、一方、頻繁に洗浄を行うと金型
野命を短かくしてしまうという背反する問題点をもって
いた。

これに対し、最近、鋼製金型の表面処理として、窒化チ
タン薄膜等を成型面に被覆処理する試みがなされている
。真空槽内でのイオンブレーティングによるＰＶＤ　（
物理的蒸着）法や、８００乃至１２００℃の高温で窒化
チタン薄膜を堆積させるＣＶＤ　（化学釣魚＠）法など
である。そして、これらの薄膜コーティングの主目的は
、金型の表面硬度を高めて耐摩耗性を高めることにあり
、その範囲ではそれなりの効果を生んでいるものである
。

ところが、これらの被覆処理によって堆積され形成され
た薄膜は、極く普通にピンホールや微小な欠陥を有し、
あるいはコーティングされた膜厚が部分的に不均一とな
る。特に、複雑に入り込んだ形状の成型面をもつ金型で
は、型状効果の影響が大きく、コーティング膜厚が一様
とならず、場合によってはコーティングされない部分を
も金型に生じてしまうものでおる。

更に、このようにして被覆処理された成型面には、依然
としてゴムや合成樹脂などの成型材料が付着して残って
しようので、鋼製金型の場合と同様に頻繁に洗浄を行な
わなくてはならず、その結果、ピンホール等を通して浸
透した洗浄液が金型材料でおる鋼を浸食するので、せっ
かく成型面上にコーティングされた窒化チタンや炭化チ
タンなどの薄膜も簡単に剥離されてしまうものであった
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

かかる従来技術では、成型金型に充分な耐食性をもたせ
ることによってゴムや合成樹脂あるいはこれらを含む成
型材料を成型する場合にあっても成型材料から発生する
腐食性のガスや化合物によって腐食されず、更に、成型
金型が成型材料と接触する面に充分な離型性をもたせる
ことによって成型材料が成型金型に付着残沼しないよう
にして、複雑な形状の成型品にあっても高精度かつ最産
性よく成型できるようにしようという概念が導入されて
おらず、その結果、これらの成型材料を成型する場合に
発生する腐食性のガスや化合物による成型金型の腐食や
、金型成型面に付着残沼する成型材料の洗浄にともなう
腐食のため、成型金型の耐久性は常識的に短かいものと
されていた。そして、金型の侵食にともない、高価な成
型金型をたびたび作り直さなければならず、成型品のコ
ストアップを招くだけでなく金型のガタによる噛込など
により成型作業性にも欠け、生産性をも高めることがで
きないという問題点をもっていた。

〔問題点を解決するための手段〕

故に、この発明は、上記従来技術におけるゴムや合成樹
脂あるいはこれらを含む成型材料を成型するうえでの成
型金型の腐食に由来する上記の問題に鑑み、成型金型を
チタンまたはチタン合金によって形成し、該成型金型の
少なくとも成型材料に接する成型面に窒化チタン層を生
成することによって、上記問題点を解決せんとするもの
である。

〔作用〕

この発明の溝成は、成型金型を形成するチタンまたはチ
タン合金は、機械的に高い強度と硬さを備えるとともに
化学的な腐食に耐える特性を有しているので、成型時や
取扱い時には機械的応力などによる変形を生じることな
く、また成型材料から発生する腐食性のガスまたはその
化合物、あるいは成型金型の洗浄作業で使用される洗浄
液などによっても腐食されることがなく、高精度に加工
された成型金型の形状を長期に維持する作用をなすとと
もに、該成型金型の少なくとも成型材料に接する成型面
に生成された窒化チタン層は、超高硬度を有し、しかも
化学的に安定な特性を有し、更に成型材料を付着しない
性質をも備えているので、成型面に摩耗ヤ着傷を生じる
ことなく、しかも化学的な腐食を受けることがないだけ
でなく、成型材料の金型からの離型を円滑にして成型材
料を金型に付着して残すことがないので、高精度に形成
された成型金型の成型面を機械的にも、化学的にも安定
に耐久性よく保護する作用をなす。

〔実施例〕

次にこの発明の実施例を第１図および第２図の図面に暮
づいて説明する。

第１図は、第１の実施例の構成を示す断面図である。成
型金型１は、上型１１と下型１゛２との対としてチタン
によって形成されている。成型材料３でおるゴムを成型
する成型金型の成型面４には、窒化チタン層４１が生成
され、更に、この実施例では、上型１１と下型１２との
成型金型の合わせ而５にも、窒化チタン層５１が生成さ
れている。

上記実施例によると、下型１２に凹設されたキャビティ
２に充填されたゴム３は、上型１１により圧縮され、上
型１１の成型面４と下型１２の成型面４とによって形成
されるとともに、余分なゴム３は、合わせ面５を通じて
キャビティ２から成型金型１の外部へ流出する。そして
、成型時には成型圧力がゴム３を介して金型１　（’１
１．１２）の成型面４に加わるが、金型１　（１１，１
２＞は機械強度が高いチタンによって形成されているの
で、金型に機械的変形を生じることがない。また、成形
面４と合わせ面５とには、成型時にゴム３が塑性流動し
て、激しい圧縮力と摩擦力を加えるが、これらの面４，
５は超高硬度を有する窒化チタン層４１．５１によって
保護されているので、機械的変形や摩耗を生じることが
なく、高精度にゴム３を成型する作用をなす。

ゴム３の成型時には、ゴム３は１５０乃至２００℃程度
に加熱されて成型性が付与されて成型されるのが通常で
ある。このため、加硫剤、促進剤、老化防止剤などの各
種の配合剤を含んだゴム３は、塩素ガスや塩化物などの
腐食性物質を発生する。これらの腐食性のガスや化合物
に対して、本発明に係わる金型１　（１１，１２）の成
型面４や合わせ面５には窒化チタン層４１．５１が生成
されており、該窒化チタン層４１．５１は充分な耐食性
を有しているので、金型１　（１１，１２）は腐食を生
じることがない。

更に、本発明に係わる窒化チタン層４１．５１は、成型
時に流動して成型面４や合わせ面５に接触するゴム３を
付着せず、該成型面４や合わせ面５にゴム３を残すこと
なく離形させる特別の作用をもなす。

本実施例よれば、チタンによって形成された成型金型１
　（１１，１２＞において、精度高く加工されている金
型の寸法形状が、チタン材料の高い機械強度によって維
持されるとともに、その成型面４や合わせ面５に生成さ
れた窒化チタン層４１゜５１は、腐食性ガス等に対して
高い耐食性を有し、ゴム３を付着しないので成型された
ゴムの離形を円滑にする。その結果、成型の作業性が格
段に高められるとともに、成型面４ヤ合わせ面５の腐食
や損傷が防止され、耐久性に優れた量産性のよい成型金
型を提供することができる。

以下、第１図に示した実施例に係わる具体例を詳）２！
Ｓする。本実施例に係わる金型１　（１１，１２）は、
Ｊ　ＩＳ３種チタンを用いて形成されている。

なお、チタン材料としては、硬度の高いものを用いるこ
とが望ましく、ＡＳＴＭ規格のグレード４或いはチタン
合金を用いることによって更に優れた機械的強度を得る
ことができる。

所定の形状に機械加工して形成された金型１（１１，１
２）は、その成型面４と合わせ面５とが研磨仕上げ及び
鏡面仕上げされ、トリクロールエチレンでの浸漬及び気
相洗浄により脱脂されたのち、充分に吃燥され、その後
に気相窒化が施されている。気相窒化は、先づ、金型を
真空槽内に収容したのち、真空槽の真空排気と窒素ガス
導入とを交互に繰返してガスバージを完全にし、その後
、大気圧下で窒素ガスを流しながら行った。使用した窒
素ガスは、水分０．０１％以下、酸素０．１％以下を含
む高純度窒素ガスで、真空槽内での流量は２０１／分と
した。加熱昇温速度は５０℃／分とし、８５０℃におい
て２４時間の高温保持を行ったの５５０乃〒５℃／分に
て冷却を行なった。なお、昇温中や冷却中の熱処理は窒
素ガスを流したま）で行なっている。

上記の気相窒化によると、生成された窒化チタン層の深
さは、成型面や合わせ面の表面から約３０μｍに達して
いた。なお、窒化チタン層の深さは、加熱温度と高温保
持時間とに密接な関係を有し、８００℃にて２４時間の
熱処理を行った場合には、深さ１５μｍでめり、同９０
０℃にて４８時間の熱処理を行った場合には深さ４０μ
ｍであった。

また、上記具体例によって生成された窒化チタン層には
、ピンホールが認められず、しかも、金型の成型面や合
わせ面、それらの面が有する半径０．５順のコーナ（稜
やくぼみ）にも均等な深さで窒化チタン層が生成されて
いた。とりわり、下型１２に形成された内径１０＃、深
さ３０ｍＭのキャビティの最深部に位置する底面のコー
ナにも約１０μの深さの窒化チタン層が均等に生成され
ていた。なお、これらの窒化チタン層の生成深さは、切
断面硬度測定方法によって計測されたものである。

次に、従来の鋼製金型による場合と、上記具体例による
場合との金型の腐食及び成型材料の金型成型面への付着
の二項口について比較を行い、以下に記す。

なお、成型材料はインプレンを主成分とするゴム材料、
又は、エピクロールヒドリンゴム、クロロスルフォンポ
リエチレンあるいはニトリルブタジェンとした。また、
ゴムの成形温度は１５０乃至２００℃とした。

比較例でおる従来の鋼製金型は、熱間加工用合金工具鋼
５ＫＤ６１によって形成され、成型面には研磨仕上げが
施されたものである。かかる［ｊ金型によると、成型圧
３Ｋｙ／ｃｒＡにて１０回の成型を行なっただけで、成
型面にはピット状の腐食膜を認めるに至った。

一方、本発明に係わる具体例によると、成型圧３に９／
ｃＭにて１００回の成型を行なっても成形面及び合わせ
面に何ら腐食が生じていず、極めてきれいな表面状態を
維持した。

次に従来のｗ４製金型によると、ゴムを成型する度びに
、金型の成型面と合わせ面には厚さ１０μｍ程度のゴム
が付着して残留し、しかもゴムの粘弾性に起因して、ウ
ェスで拭き取ろうとしても簡単には取り除くことができ
ない。そこで、３０％濃度の力性ソーダ溶液中に２４時
間浸漬し、そののちワイヤーブラシで残留したゴムをか
き落し、１０００メツシユのエメリ紙で成型面を磨いた
のち、金屈磨き剤で鏡面研磨を施した。その結果、−回
の洗浄作業によって、はぼ２０〜３０μ程度、金型の成
型表面が研磨されてしまうことになった。

一方、本発明に係わる具体例によると、金型の成型面に
は全くゴムが付着ぜず、残留しなかった。

その結果、従来のｅｌ製金型において成型のたび毎に必
要とされていた離型促進剤の塗布も不要、又は、何回か
の成型毎に行えば充分であった。

次に、従来の鋼製金型に、イオンプレーティン−グによ
って窒化チタン薄膜を堆積して、コーティング処理した
場合を比較例として示す。

また、上記実施例でのキャビティ２は直径１０αｍに対
して深さ３０ｍであり、従来のイオンブレーティングに
よると形状効果の影響をうけてしまい、一般にこのよう
な穴状空洞の内面には均一膜厚にコーティングをするこ
とができない。

例えば、５Ｘ１０’Ｐａの窒素カス雰囲気中での２０Ａ
のイオン電流による１時間の被覆処理で堆積した窒化チ
タンＲ膜は、キャビティ２の上端面では３μｍ程度でお
るが、キャビティ２の深さ方向中央部分の内面では１μ
ｍにも）４たず、特に底面コーナ部には薄膜が堆積され
ないこともある。

このため、コーティングの効果が発揮されず離型性に欠
けるとともに４００回の成型によってコーティング簿膜
は部分的に剥離してしまうものであった。その結果、洗
浄により、下地の鋼製金型は洗浄液によって腐食されて
しまい、このためコー′ティング薄膜の剥離も生ずる。

なお、上記具体例において、成型面への窒化チタン層の
成形を気相窒化によるとしたが、他の電解化成法や、水
素をともなわない窒素拡散方法によることも可能でおる
。しかじから、気相窒化によると、均質な窒化層を金型
表面全体に一様に生成できるので、気相窒化が最適でお
る。

また、成型金型の窒化熱処理温度を８００乃至９００″
Ｃとしたのは、この範囲で、硬度１５００１−Ｉ　Ｖの
硬質なピンホール皆無の窒化チタン層を生成できるから
であり、８００℃以下では層の拡散生成速度が遅く不適
当である。また９００℃以上では、金型自体の熱歪が大
きくなり、精密成型を行ううえで不適当であるからでお
る。なお、ゴムの金型成型面への付着性においては、８
００℃以上で窒化したものであれば好適な離型性を示す
。

また、窒化チタン層の厚みを１０乃至３０μｍ程度の範
囲としたのは、１０μｍ以下では、充分な硬さを発揮し
えず、また３０μｍ以上では、成型金型の窒化熱処理に
長時間を要し、処理能率が低下するだ【プでなく、窒化
チタン層表面に固有なひび割れを生成し、逆に耐久性を
悪くすると同時に離型性をも劣ったものにする結果を招
くからでおる。

次に第２図を参照して本発明の他の実施例を説明する。

第２図は、トランス７１法による実施例の構成を成す断
面図で、成型金型１はチタン合金によって形成されたプ
ランジャ１３、ポット型１４及び上型１５、中型１６並
びに下型１７からなっている。そして、プランジャ１３
とポット型１４とが成型材料に接触するポット１８の内
面を含む金型面６及び、プランジャ１３とポット型１４
の合わせ面５には、窒化チタン層５１．６１が生成され
、上型１５、中型１６、下型１７の成型面４及びポット
型１４と上型１５によって形成されるスプル１９の内面
７には、同様に窒化チタン層７１が生成されている。

上記実施例の構成によると、ポット１８に充填された成
型材料であるアクリル樹脂３は、１００乃至１２０℃に
加熱されてプランジャ１３で３　Ｋ９／ｃｒＡに加圧さ
れ、スプル１９を経由してキャビティ２０に注入されて
成型される。チタン合金からなる金型１３．’１４，１
５．１６及び１７は、成型圧力に耐えて高精度に加工さ
れた金型の形状を保つとともに、これらの金型に生成さ
れている窒化チタン＠５１，６１．７１は、アクリル樹
脂３の成型時に発生するシアンガスまたはその化合物に
よって腐食されることなく、更に、金型自体の腐食をも
防止してアクリル樹脂を耐久性よく成型する作用をなす
。更に、ポット１８に充填されたアクリル樹脂３は円滑
にキャビティ２０に圧送されるが、同時に窒化チタン層
５１，６１．７１にはアクリル樹脂が付着して残される
ことがないので、ポット１８やスプル１９のクリーニン
グや、成型材料の交換を極めて容易にし、異種成型材料
間での汚染を生じない。また、キャビティ２０内で成型
されたアクリル樹脂は、簡単に離型でき多量の成型品を
迅速に生産することができ作業性を向上させる作用をな
す。

上記実施例によれば、ポット１８からスプル１９を経由
しキャビティ２０へ充填されて加圧成型されるアクリル
樹脂３の流れが良くなるとともに、複雑高精度に加工型
成されている金型の野命を格段に永くする効果を生じる
。

なお、上記実施例において、金型、１３，１４゜１５．
１６及び１７にはチタン合金（９０％Ｔ１６％ＡｆＪ４
％Ｖ又はβ合金）を用いた。上記チタン合金によると、
チタンによるよりも機械的強度に優れ、また、加工性に
冨むとともに、低順なので経済的に金型を形成すること
ができる。

また、これらの金型の内面４，６．７や合わせ面５に生
成された窒化チタン層５１，６１．７１は前記第１の実
施例と同様に、窒素ガス中で金型１を熱処理することに
よって生成した。

なお、チタン合金の窒化における高温保持温度、及び保
持時間は前記第１実施例におけるチタンの窒化での熱処
理条件である８００乃￥９００℃での２４時間に限られ
ることなく、８５０℃、２４時間あるいは９００℃、２
４時間でも可能であり、前者では厚さ３０μｍの窒化層
、後者では４０μｍの窒化層を得ることができた。

なお、上記実施例の説明では、金型の成型面や合わせ面
に気相窒化によって窒化チタン層を生成するとして説明
したが、成形面や合わせ面だけに限らず、金型の露出表
面全面に窒化チタン層を生成することも可能であり、こ
れによって、−層金型の耐久性を高めることができる。

また、成形材料をゴムやアクリル樹脂として例示して説
明したが、成形時に腐食性ガスや化合物を発生する他の
プラスチックス、おるいは高分子樹脂等のバインダを含
んだ粉粒体とすることもでき、これらの成型材料での成
型にも高い効果を発揮することができる。

なお、本発明によれば、チタンまたはチタン合金を金型
材料としているので、チタンやチタン合金製の金型の表
面にチタン窒化膜やチタン炭化膜を堆積コーティングす
ることによっても同様な効果をあげることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、チタンまたはチタン
合金によって形成した成型金型の少なくとも成型材料に
接する成型面に窒化チタン層を生成して成型金型を構成
するようにしたので、成型金型は成型材お１から発生す
る、腐食性のガスや化合物によって腐食されることがな
く、従来技術において鋼製金型を窒化チタン薄膜によっ
て被覆処理した場合のように堆積コーティングした薄膜
が簡単に剥離されて侵食が進むこともない。また、成型
金型の成型面には成型材料が付着して残ることがないの
で成型のたびごとに必要とされていた金型の洗浄が不要
となり、作業性に優れ、耐久性に冨んだ成型金型を提供
することができ、ゴムや合成樹脂、おるいはそれらを含
んだ成型材料を高精度かつ複雑な形状にも量産成型する
ことができるという優れた効果が秦される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第一の実施例の構成を示す断面図
、第２図は、他の実施例の構成を示す断面図である。 １・・・成型金型、２・・・キャビティ、３・・・成型
材料、４・・・成型面、５・・・合わせ面、４１，５１
，６１゜７１・・・窒化チタン層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、チタンまたはチタン合金によって形成される成型金
   型の少なくとも成型材料に接する成型面に、窒化チタン
   層が生成されていることを特徴とする成型金型。 ２、前記成型材料は、ゴムまたは合成樹脂あるいはそれ
   を含む成型材料である特許請求の範囲第１項記載の成型
   金型。 ３、前記窒化チタン層は、前記チタンまたはチタン合金
   によつて形成される成型金型の少なくとも成形面が気相
   窒化されて生成される窒化チタン層である特許請求の範
   囲第１項記載の成型金型。 ４、前記成型金型は、該金型の成型面だけでなく合わせ
   面にも窒化チタン層が生成されている成型金型である特
   許請求の範囲第３項記載の成型金型。